Двигатель стирлинга тепловой насос: Тепловой насос на базе двигателя стирлинга

Принцип работы прост. Если к двигателю стирлинга приложить механическую энергию, то т.н. горячий цилиндр будет охлаждаться, а холодный нагреваться, преобразуя низко потенциальное тепло (из охлаждаемой части) в тепло с более высокой температурой. Температура этой охлаждённой части может опускаться до -273°С (теоретически). Практически же удаётся легко достигать значений -190°С и ниже.

Если «насильно» нагревать охлаждённую часть цилиндра, то горячая сторона будет ещё больше нагреваться, пытаясь преобразовать тепло, подводимое к охлаждённому участку. Это называется перенос тепла от «источника» к «потребителю». Получается, что мы ещё больше отбираем тепло у холодного источника, делая его ещё холоднее и передаём это тепло к потребителю, делая его ещё горячее. Это даёт нам прекрасную возможность использовать низко потенциальную энергию (воздух, вода, грунт, сточные воды и т.п.) для нагревания чего либо. Например, температура грунта является практически постоянной величиной. В средней полосе России она колеблется от 4 до 8 градусов. Т.е. нагревая замерзающую часть цилиндра теплотой, запасённой в земле, мы можем температурой в горячей части двигателя обогревать своё жилище. Вкратце это и есть суть теплового насоса из Стирлинга и вообще любого теплового насоса.

Тепловой насос Стирлинга

На сегодняшний день на базе двигателя Стирлинга практически не производят тепловых насосов для бытовых нужд. Их преимущественно делают при помощи компрессоров с газами, обладающими способностью сжижаться при невысоких давления. Это различные марки фреонов, аммиак, углекислота и т. п.

Эффективность теплового насоса характеризуется коэффициентом трансформации энергии (переноса тепла). Для быстрой оценки можете воспользоваться калькулятором т.н. КПД (здесь). Для примера, температура грунта равна 4°С, а температура для нагрева требуется 70°С. По калькулятору мы получаем эффективность преобразования почти 420%. Это означает, что приложив 1 кВт энергии для переноса тепла от низко потенциального источника (в нашем случае от грунта), мы получим выделение 4,2 кВт тепловой энергии. Заметьте, чем меньше разница температур, тем больше эффективность. А те, кто снова задумался над вечным двигателем, советую прочитать пост Некоторые заблуждения относительно Двигателей Стирлинга.

На практике же всё не так уж радужно. У каждого устройства есть как свои достоинства, так и свои недостатки. У тепловых насосов есть много различных потерь, которые в сумме очень существенно снижают эффективность устройства.

1. Потери в электродвигателе. Механическое усилие осуществляют обычно электрическими двигателями. Их КПД у самых мощных экземпляров достигает 95%. У менее мощных эта величина редко превышает 80%.
2. При переходе газа в жидкость и при переходе из жидкости в газ рабочее тело безвозвратно тратит приложенную для этого процесса энергию.
3. Трение в поршневой группе. Для повышения компрессии приходится вводить различные схемы уплотнений. Это заставляет тратить нашу прилагаемую энергию не только для осуществление сжатия рабочего тела, но и на преодоление силы трения уплотнений.
4. Тепловые потери. Используемые материалы имеют теплопроводность. Там где нужно сберегать тепло, они его «сбрасывают» в окружающую среду, там где нужно его сбрасывать, они делают это не так быстро как хотелось бы. То же самое касается и холодной части теплового насоса.
5. Гидравлические потери. Каждый газ или жидкость имеют свою вязкость. Это свойство рабочего тела заставляет нас тратить энергию на преодоление вязкости. А при увеличении скорости движения рабочего тела силы на преодоление вязкости возрастают в экспоненциальной форме. Гидравлические потери заложены и в перекачке жидкости по контуру низко потенциального тепла и по нагреваемому контуру.
6. Механические потери. Конструкция любого двигателя не является совершенством. Неуравновешенность и дисбалансы в движимых частях также негативно влияют на КПД механической части компрессоров.

В общем и целом все эти суммарные потери в тепловых насосах называют степень термодинамического совершенства и обозначают это коэффициентом h. Для устройств мощностью до 3 кВт h = 0,35 максимум. В более современных и дорогих разработках удаётся значительно увеличить это значение. Это значит, что для нашего примера (где мы получили 420% эффективности) реальная эффективность будет максимум 147% (420*0,35). Для более мощных установок h=0,5 . Т.е. и эффективность здесь будет на уровне 210%. На практике же редко используют такие высокие температуры нагревания. Обычно не выше 55°С. При такой температуре теоретическая эффективность будет 543%, а реальная эффективность для маломощного  теплового насоса составит около 200%. Т.е. затратив 1 кВт электроэнергии вы получите 2 кВт тепла. Также для увеличения эффективности следует стремиться к увеличению температуры источника тепла (грунта, воды, воздуха). Из-за низких температур земли во многих широтах нашей страны не выгодно использовать тепловые насосы для обогрева жилища, особенно на территориях с вечной мерзлотой.

Стирлинг для отопления

Что нас манит в производстве холодильников на основе двигателей Стирлинга? В первую очередь мы лишаемся некоторых недостатков, а именно потери на испарение и конденсацию. Двигатель стирлинга работает по циклу Карно, а это самый эффективный цикл преобразования тепловой энергии. Также различные технологические ухищрения могут повысить степень термодинамического совершенства. К примеру — конфигурация двойная гамма. Она почти в двое может снизить потери на трение. Вместо фреонов и других опасных рабочих тел в стирлингах мы можем использовать любой безопасный газ: воздух, углерод, азот, гелий и водород. Конечно расплатой за это будет высокие значения давлений рабочих газов, доходящих до 100 атмосфер и больше.

Многие компании, производящие бытовые холодильники и тепловые насосы пытались и пытаются сделать эффективный, надёжный и безопасный холодильник Стирлинга и даже в 2004 году фирма LG сделала громкое заявление, что вот вот начнёт производство холодильников на основе этого самого эффективного устройства. Но как-то до сих пор они не появились. А посему становится ясно, что удел изобретению г-на Стирлинга это узкоспециализированное применение. Применение, где финансовая сторона не играет определяющей роли, а важны надёжность, высокая эффективность и универсальность.

А кому интересны данные темы, предлагаю подписаться на новые статьи (в правом сайтбаре).

Как построить эффективный тепловой насос Стирлинга?

Двигатели или тепловые насосы Стирлинга — это системы, которые могут работать при невероятно малой разности температур. Некоторым вариантам двигателей Стирлинга для работы достаточно даже тепла человеческого тела. В статье мы рассматриваем динамику этой интересной машины, которую можно построить в домашних условиях, и показываем, как создать её модель в COMSOL Multiphysics.

Современные применения старой идеи

Сначала немного истории двигателя Стирлинга. Разработанный два века назад в 1816 году Робертом Стирлингом двигатель в то время называли «двигателем будущего». Хотя эта технология так и не стала действительно популярной, двигатели Стирлинга широко используются во многих современных прикладных задачах. Например, солнечный вариант двигателя Стирлинга непосредственно преобразует солнечное тепло в механическую энергию, которая в свою очередь приводит в движение генератор и производит электричество. Кроме того, этот же подход используется для получения энергии из геотермальных источников и тепловых сбросов промышленных предприятий. Вероятно, самая удивительная область, в которой нашли свое применение двигатели Стирлинга — это шведские подводные лодки; в них двигатели Стирлинга обеспечивают тягу даже без доступа к воздуху.

От тепловой энергии к механической работе

Мы рассказали о некоторых применениях двигателей Стирлинга, но каков же принцип работы этого устройства? В двигателе Стирлинга тепловая энергия преобразуется в механическую работу в ходе циклического процесса. Детали реализации могут отличаться, но основной принцип остается неизменным. Рабочее тело проходит через четыре процесса: охлаждение, сжатие, нагрев и расширение. Теплота переносится газом от горячей стороны двигателя к холодной. КПД двигателя не превосходит КПД цикла Карно.

В отличие от обычных двигателей, двигатели Стирлинга не требуют для своей работы высоких температур. Некоторые двигатели успешно работают при небольшой разности температур между горячей и холодной сторонами. Кроме того, для них характерен очень низкий уровень шума и соответствующих потерь энергии, поскольку в рабочем процессе не происходят взрывы и не выделяются выхлопные газы. В то же время двигатели Стирлинга лучше всего подходят для прикладных задач, в которых требуется обеспечить постоянную мощность, поскольку динамически регулировать их мощность чрезвычайно сложно. Это, вероятно, самая главная причина, по которой мы до сих пор не управляем автомобилями с двигателями Стирлинга.

Двигатель Стирлинга, работающий от тепла человеческой ладони. (Изображение «Двигатель Стирлинга, который работает только от разности температур между окружающим воздухом и ладонью». Собственная работа участника Arsdell. Доступно по лицензии Creative Commons «Атрибуция — На тех же условиях» 3.0 на Викискладе).

Как построить свой собственный двигатель Стирлинга

Если у вас есть опыт ручной работы, вы можете сами собрать двигатель Стирлинга в домашних условиях даже без профессиональных инструментов и соответствующего опыта. На YouTube вы можете найти несколько видеоуроков и пошаговых руководств по сборке двигателя. Самый простой вариант можно собрать из банки из-под колы и других ненужных в хозяйстве вещей.

Конечно, КПД такого двигателя Стирлинга вряд ли будет оптимальным. Более подходящим решением является создание численной модели двигателя.

Моделирование теплового насоса Стирлинга в COMSOL Multiphysics

С помощью численной модели двигателя Стирлинга мы можем подобрать и испытать различные сочетания материалов и настройки параметров. Процесс описывается уравнениями теплопередачи и гидродинамики, а для упрощенного описания механической составляющей процесса достаточно решить дополнительное обыкновенное дифференциальное уравнение — уравнение движения.

Двухмерная осесимметричная модель состоит из основного цилиндра, который содержит рабочее тело (воздух) и поршень. В малом цилиндре вверху расположен приводной поршень. Оба поршня соединены параллельно и двигаются на коленчатом валу, на котором они разнесены по фазе на 90°. Коленчатый вал в модель не включен. Такой вид двигателя Стирлинга называется гамма-конфигурацией.

Модель теплового насоса Стирлинга.

Здесь задача теплопередачи в рабочем газе уже решена. Механическая сторона процесса реализуется с помощью подвижной сетки (ALE). Вытеснитель и приводной поршень могут свободно двигаться в направлении z. Установленное смещение соответствует режиму теплового насоса. При этом механическая работа используется для передачи тепловой энергии в направлении, противоположном направлению самопроизвольной передачи теплоты. Обратный процесс — собственно работу двигателя Стирлинга — можно моделировать, используя источник тепла и рассчитывая конечные силы давления на приводной поршень и вытеснитель. В любом случае, система проходит цепочку процессов, которые соответствуют четырем стадиям цикла Карно:

Термодинамические процессы, действующие на рабочее тело.

КПД такого цикла далек от цикла Карно, но полученный график зависимости давления от объема, который вы видите ниже, совпадает с экспериментальными данными.

График зависимости давления от объема в цикле Стирлинга.

Основное преимущество модели заключается в том, что мы можем изучать физические явления в тепловом насосе. Например, представленное ниже анимированное изображение показывает распределение скоростей во время работы теплового насоса.

Распределение скоростей во время работы теплового насоса.

Поршень передает механическую энергию, требуемую для перекачки тепла, а значит, мы можем изучить динамическое распределение температуры во время работы теплового насоса.

Анимация, показывающая распределение температуры.

Увеличение КПД

Чтобы увеличить КПД двигателя Стирлинга, необходимо максимизировать площадь замкнутой области на графике «давление-объем» (pV-диаграмме). Эта площадь соответствует работе, совершенной двигателем. Общий КПД двигателя можно увеличить несколькими способами. Выбор в качестве рабочего тела газа с высокой удельной газовой постоянной (например, с малой молярной массой) максимизирует работу, которую может произвести двигатель в процессе изотермического расширения. Поэтому в качестве рабочего газа обычно используют водород или гелий. Кроме этого, можно максимизировать передачу тепла через вытеснитель, используя пористый вытеснитель-регенератор (см. эту статью).

Почти изотермический тепловой насос Стирлинга

Почти изотермический тепловой насос Стирлинга использует запатентованную технологию гидромеханики почти изотермического сжатия и расширения.

Подавляющее большинство всех современных систем охлаждения используют цикл парового компрессора, который впервые был использован в коммерческих целях в 1850 году. И не зря, так как цикл парового компрессора в настоящее время является наиболее эффективным и дешевым способом обеспечения охлаждения. Почти изотермический тепловой насос Стирлинга меняет это рабочее предположение.

При измерении теплового КПД как тепловых насосов, так и двигателей обычно сравнивают КПД с гипотетическим циклом Карно. Цикл Карно является гипотетическим, потому что никто практически не создал цикл Карно, однако, основываясь на законах термодинамики, можно показать, что теоретически это самая эффективная машина, какой может быть. Поэтому обычно эффективность машины сравнивают с теоретическим максимумом, определяемым циклом Карно.

КПД (коэффициент производительности) холодильного оборудования представляет собой отношение охлаждающего теплового потока к подводимой мощности. Обычно для холодильника с паровым компрессором это значение может варьироваться от 2 до 4 в зависимости от условий эксплуатации. Однако по сравнению с циклом Карно эффективность составляет в лучшем случае всего 40%, а часто и всего 20% от теоретического максимума. Цикл парового компрессора термически относительно неэффективен, несмотря на более чем 150-летнюю историю разработки.

По сути, существует ряд термодинамических причин, по которым эффективность парового компрессора ограничена, и любые будущие улучшения эффективности, вероятно, будут незначительными. Цикл необратим (его нельзя использовать в качестве двигателя), и эта необратимость проявляется в виде потерь энергии, которые ограничивают его термодинамическую эффективность. Некоторые из основных потерь энергии включают: температура газа, выходящего из компрессора, выше, чем температура конденсатора; пар на дроссельной заслонке должен быть переохлажден; расширение газа в дроссельной заслонке; пар на входе в компрессор должен быть перегретым.

идеальный Цикл Стирлинга — один из немногих циклов, которые по эффективности могут сравниться с циклом Карно. https://en.wikipedia.org/wiki/Stirling_engine

Гидромеханика не претендует на идеальную машину Стирлинга, поскольку существует множество практических ограничений, ограничивающих ее эффективность. Но они разработали технологию, которая может аппроксимировать цикл, что делает машину значительно более эффективной.

Цикл Стирлинга был изобретен преподобным Робертом Стирлингом в 1816 году и хорошо изучен. За прошедшие годы было изготовлено много машин Стирлинга, но ни одна из них не приблизилась к идеальному циклу Стирлинга с точки зрения эффективности, и все они имеют низкую удельную мощность. По сути, проблема заключалась в том, что идеальный цикл требует, чтобы газ в цилиндрах сжимался и расширялся изотермически, но это невозможно при использовании стандартного поршня и цилиндра. Обычно, когда газ сжимается или расширяется в цилиндре, процесс почти на 100% адиабатический, поэтому современные машины Стирлинга даже не близки к идеальному циклу Стирлинга, и это значительно снижает эффективность. Передача теплового потока через стенку цилиндра в рабочий газ также является еще одним фундаментальным ограничением плотности мощности современных машин Стирлинга.

Как построить эффективный тепловой насос Стирлинга?

Двигатели Стирлинга или тепловые насосы — это системы, способные работать при невероятно низких перепадах температур. Фактически, некоторым типам двигателей Стирлинга для работы требуется только тепло человеческого тела. Здесь мы исследуем динамику этой интересной машины, которую вы можете построить дома, и покажем, как ее моделировать с помощью COMSOL Multiphysics.

Современные приложения довольно старой идеи

Давайте начнем с того, что вернемся в историю двигателя Стирлинга. Названный «двигателем будущего», двигатель Стирлинга был впервые разработан Робертом Стирлингом почти 200 лет назад в 1816 году. Хотя эта технология так и не вышла на первое место, этот тип теплового двигателя нашел широкое применение во многих современных приложениях. Например, солнечный двигатель Стирлинга используется для прямого преобразования солнечного тепла в механическую энергию, которая, в свою очередь, используется для питания генератора и производства электроэнергии. Кроме того, существуют аналогичные подходы, основанные на геотермальной энергии или на использовании отходящего тепла промышленных предприятий. Самым удивительным современным применением двигателя Стирлинга может быть его работа на шведских подводных лодках — отсутствие воздуха не является проблемой для двигателя Стирлинга.

От тепловой энергии к механической работе

Мы коснулись некоторых применений двигателей Стирлинга, но как работает эта машина? В двигателе Стирлинга теплота преобразуется в механическую работу (или наоборот) в циклическом процессе. Это может быть реализовано по-разному, но принцип остается тем же: двигатель проходит через четыре процесса охлаждения, сжатия, нагрева и расширения. Газ используется для переноса тепла от постоянно горячей стороны к холодной стороне. Эффективность двигателя ограничена эффективностью цикла Карно.

В отличие от обычных двигателей, для работы двигателей Стирлинга не требуется нагревание до высоких температур. Некоторым двигателям Стирлинга нужна лишь небольшая разница температур в Кельвинах между горячей и холодной сторонами. Кроме того, уровень звука и последующие потери энергии очень низки, потому что нет взрывов и выхлопов. Однако двигатели Стирлинга наиболее подходят для приложений, где требуется постоянная мощность, поскольку управление динамической регулировкой мощности было бы сложной задачей. Это, вероятно, самая важная причина того, почему до сих пор нет автомобилей с двигателями Стирлинга.

Двигатель Стирлинга работает за счет тепла человеческой руки. («Двигатель Стирлинга, который работает исключительно за счет энергии, полученной от разницы температур окружающего воздуха и ладони» Арсделла — собственная работа. Лицензия Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 через Wikimedia Commons).

Самостоятельная сборка двигателя Стирлинга

Те из вас, кто имеет некоторый опыт рукоделия, могут самостоятельно собрать двигатель Стирлинга в домашних условиях без использования профессиональных инструментов или опыта. На YouTube доступно несколько видеоуроков, которые содержат инструкции, предназначенные для того, чтобы помочь вам в процессе сборки. Самым простым из этих примеров, вероятно, является версия, состоящая из банки колы и каких-то домашних мелочей.

Несмотря на простоту сборки, эта модель двигателя Стирлинга, вероятно, не оптимизирована с точки зрения эффективности. Создание численной модели двигателя предлагает лучшее решение.

Моделирование теплового насоса Стирлинга в COMSOL Multiphysics

С помощью численной модели двигателя Стирлинга мы можем находить и тестировать наборы материалов, а также корректировать параметры. Задействованной физикой являются теплопередача и поток жидкости, а механический процесс можно упростить, решив уравнение движения как дополнительное ОДУ.

Двухмерная осесимметричная модель состоит из главного цилиндра, включающего рабочую жидкость (воздух) и вытеснителя. Небольшой цилиндр сверху содержит силовой поршень. И вытеснитель, и силовой поршень соединены параллельно и сдвинуты по фазе на 90º на коленчатом валу, который не является частью модели. Вся установка соответствует двигателю Стирлинга гамма-типа.

Модель теплового насоса Стирлинга.

Здесь решается перенос тепла в рабочем газе. Механическая часть реализована с помощью подхода с подвижной сеткой (ALE): вытеснитель и силовой поршень могут свободно перемещаться в з -направление. Здесь указан рабочий объем, соответствующий тепловому насосу. Механическая работа используется для перемещения тепловой энергии в направлении, противоположном направлению самопроизвольного теплового потока. И наоборот — двигатель Стирлинга — также можно смоделировать, применив источник тепла и вычислив результирующие силы давления на силовой поршень и вытеснитель. В любом случае система проходит определенную цепочку процессов, которую можно разделить на четыре шага цикла Карно:

Термодинамические процессы, действующие на рабочую жидкость.

Хотя его эффективность и далека от теоретической диаграммы цикла Карно, приведенный ниже график давления/объема соответствует экспериментальным результатам.

График давление/объем цикла Стирлинга.

Реальное преимущество модели в том, что мы можем анализировать физику внутри теплового насоса. Например, анимация ниже показывает распределение скорости во время работы теплового насоса.

Распределение скорости во время работы теплового насоса.

Поскольку поршень передает механическую энергию, необходимую для откачки тепла, мы также можем исследовать динамическое распределение температуры внутри теплового насоса во время работы.

Анимация, показывающая распределение температуры.

Повышение эффективности

Если вы хотите повысить эффективность двигателя Стирлинга, цель состоит в том, чтобы максимизировать закрытую площадь на графике давление/объем. Эта площадь соответствует работе, которую совершает двигатель. Общая эффективность двигателя может быть повышена несколькими способами. Если мы выберем рабочий газ с высокой удельной газовой постоянной (т. е. с низкой молекулярной массой), это максимизирует изотермическое расширение (и, следовательно, работоспособность) двигателя. Вот почему водород и гелий предпочтительны в качестве рабочих газов.